区域能源的地源热:利用地球进行脱碳加热

由凯瑟琳罗伊|2021年5月12日

随着世界关注于通过电动汽车市场减少碳排放,并寻找可再生能源替代发电,一个温室气体(GHGs)的制造者被忽视了:建筑。为了履行《公约》下的承诺巴黎协定在美国,加拿大和世界其他国家都需要同等重视减少所有污染源的排放。

源于企业和家园的温室气体排放主要由化石燃料燃烧以热量造成的。如图1所示,建筑物的排放是加拿大的第三大排放来源。加拿大人由于我们分散的人口和季节性温度波动而倾向于使用更多的能量来加热和冷却。

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图1:加拿大按经济部门划分的排放量1

在加拿大,83%的住宅能源消耗用于供暖/制冷和供水。图2显示了加拿大家庭能源消耗的主要来源。建筑能耗是全球第三大温室气体排放国,约占全球温室气体排放总量的18%,其中一半可归因于供暖和制冷。因此,向低碳未来的过渡在很大程度上取决于将供暖和制冷所需的能源消耗脱碳。

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图2:加拿大的住宅能源使用2

地源加热——包括可用于加热和制冷的储存太阳能——能够取代目前使用的化石燃料。尽管一些批评人士认为,由于加拿大的地热活动较少,因此它不是地热系统的理想选择,但当涉及到直接利用热能时,地热资源并不需要如此炎热。储存在地下4米深处的太阳能足以给建筑物供暖。

地源热泵(GSHPS)使用地面,地下水或地表水作为源极和水槽。GSHP系统可以通过称为地环的热交换系统从地面吸收或拒绝热量。通过热泵,室内空气通过流过地环的流体交换热量。虽然地热能不能被认为是100%清洁能量(热泵可能是用化石燃料产生的电力),但热泵减少碳排放,因为没有燃烧,没有发出烟气。因此,用于区供暖的GSHP是脱碳加热扇区并降低化石燃料的依赖性的关键技术。

纵观世界各地的集中供暖,欧洲、俄罗斯和中国处于领先地位。地热能资源已用于集中供热应用多年,目前欧洲在这方面处于领先地位。欧洲有5000多个集中供热网络,主要分布在西欧、中欧和斯堪的纳维亚半岛。在这5000个国家中,只有大约280个国家使用地热能。在所有欧洲国家中,冰岛是迄今为止产生地热能最多的国家,其次是法国、德国和匈牙利。雷克雅未克拥有世界上最大、最先进的地热区域供暖系统,自1930年以来,该市的建筑和住宅都使用天然热水供暖。冰岛政府通过提供大量贷款和赠款发挥了关键作用。

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图3:集中供热主要用户3.

在加拿大,matamy Homes和Enwave能源公司已经在安大略省的Markham建立了一个拥有300户家庭的社区,这是该国同类社区中最大的一个,将使用区域地热系统来供暖、制冷和家用热水。在2020年项目接近详细设计时,Hatch担任了地源热泵系统的技术顾问。为了支持这一倡议,大气基金在两年内向马卡姆市拨款22.5万美元,用于研究、协调和设计由地区地热系统固定的净零社区的初始概念。哈奇可以协助可行性研究、规划、工程,并为那些寻求利用地热能在区域供热应用的企业建立商业案例。

虽然地热作为一种资源是免费的,但使用它的前期成本很高。一般来说,安装地源热泵系统对于个人家庭或建筑来说是非常昂贵的。然而,通过为多个现有住宅或社区提供服务,在区域供热应用中实现这些系统的规模经济,可以使其更廉价和更广泛的使用。另一个好处是,这些系统的部分管道可以水平埋在地下,而不是垂直埋在地下,这可以进一步降低成本,因为垂直钻井非常昂贵。最终,从长远来看,节省的能源和维护成本抵消了前期费用。

利用地源热量为在区域供热中提供加热和冷却,如果提前进行足够的规划以将这些系统集成到设计中,可以实施政府的支持性政策,并提供资金帮助推进地热社区能源系统。

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参考:

1加拿大政府,“温室气体源和汇:执行摘要2020”,2021年,

2加拿大政府,加拿大自然资源,“住宅部门的能源使用”,2021年,

2Werner, S.,“区域供热和制冷的国际评论”,能源,第137卷,2017年10月15日,617-631页,检索自Science Direct, 2020,